Układ paliwowy Common Rail

Układ wtrysku paliwa Common Rail

Układ paliwowy Common Rail obejmuje stopień niskiego ciśnienia paliwa i stopień wysokiego ciśnienia paliwa oraz ECU (11).

Zasilanie paliwem pod niskim ciśnieniem

Dostawa paliwa niskociśnieniowego Common Rail obejmuje:

• zbiornik paliwa z filtrem wstępnym;
• wspomagająca pompa paliwowa;
• Filtr paliwa;
• przewody paliwowe niskiego ciśnienia.

Zasysająca pompa paliwowa

Elektryczna pompka zasilająca z filtrem wstępnym paliwa dostarcza w sposób ciągły określoną ilość paliwa ze zbiornika paliwa do wysokociśnieniowej pompy paliwowej. Pompa nie tylko podaje paliwo, ale w granicach działania systemu bezpieczeństwa musi przerwać podawanie paliwa w razie wypadku tj. przy włączonym zapłonie i wyłączonym silniku.

Pompa paliwowa składa się z trzech głównych elementów:

• pompa;
• silnik elektryczny;
• okładki.

Filtr paliwa

Niewystarczające oczyszczenie paliwa może spowodować uszkodzenie zespołów pompy paliwa wysokiego ciśnienia, zaworów tłocznych i dysz wtryskiwaczy. Filtr paliwa oczyszcza paliwo, zanim dostanie się ono do wysokociśnieniowej pompy paliwowej, zapobiegając w ten sposób przedwczesnemu zużyciu wrażliwych części pompy.

Olej napędowy może zawierać wodę lub w postaci związanej (emulsja), lub w dowolnej formie (np. skraplanie się pary wodnej przy zmianie temperatury). Jeśli woda dostanie się do układu wtryskowego, może to doprowadzić do korozji elementów układu wtryskowego, dlatego instalowany jest alarm ostrzegawczy, który włącza lampkę ostrzegawczą w zestawie wskaźników, jeśli konieczne jest spuszczenie wody z filtra paliwa.

Zasilanie paliwem pod wysokim ciśnieniem

Dostawa paliwa pod wysokim ciśnieniem Common Rail obejmuje:

• wysokociśnieniowa pompa paliwowa z zaworem regulacji ciśnienia;
• przewody paliwowe wysokiego ciśnienia;
• akumulator wysokiego ciśnienia (rail) z czujnikiem ciśnienia, ogranicznikiem ciśnienia, ogranicznikiem przepływu, dyszami;
• przewód paliwowy powrotny.

Pompa paliwowa wysokiego ciśnienia

Pompa paliwowa wysokiego ciśnienia (schematyczne przedstawienie przekroju podłużnego)

Pompa paliwowa wysokiego ciśnienia (schematyczne przedstawienie przekroju)

Wysokociśnieniowa pompa paliwowa dostarcza paliwo pod ciśnieniem 1350 bar przez przewody paliwowe wysokiego ciśnienia do akumulatora wysokiego ciśnienia.

Pompa paliwowa wysokiego ciśnienia znajduje się na granicy między niskim i wysokim ciśnieniem paliwa. We wszystkich warunkach eksploatacji żywotność pompy paliwowej odpowiada żywotności pojazdu.

Pompa paliwa jest smarowana olejem napędowym. Paliwo jest sprężane przez trzy tłoki ustawione promieniowo pod kątem 120°względem siebie. Pompa dostarcza trzy porcje paliwa na jeden obrót wału korbowego. Dla silnika Diesla o pojemności skokowej 2,0 l, pracującego przy znamionowej prędkości obrotowej wału korbowego i wytwarzanym ciśnieniu 1350 bar, do napędu pompy potrzebna jest moc 3,8 kW, biorąc pod uwagę sprawność mechaniczną. około 90%.

Działanie pompy

Wspomagająca pompa paliwowa dostarcza paliwo przez filtr z separatorem wody do wlotu i zaworu bezpieczeństwa wysokociśnieniowej pompy paliwowej. Paliwo przez otwór przepustnicy zaworu bezpieczeństwa smaruje ruchome części pompy, a także ją chłodzi. Wał napędowy z mimośrodowymi krzywkami porusza trzema tłokami pompy w górę iw dół zgodnie z kształtem krzywki. Gdy tylko ciśnienie zasilania przekroczy ciśnienie otwarcia zaworu nadmiarowego (0,5...1,5 bara), pompa wspomagająca tłoczy paliwo przez zawór wlotowy pompy wysokiego ciśnienia do komory elementu pompy, której tłok przesuwa się w dół (udar ssący). Zawór wlotowy zamyka się, gdy tłok pompy przechodzi przez BDC, a ponieważ paliwo nie może wypływać z komory elementu pompującego, jest ono sprężane niezależnie od ciśnienia zasilania.


Rosnące ciśnienie otwiera zawór wydechowy i gdy tylko zostanie osiągnięte ciśnienie równe ciśnieniu w akumulatorze, sprężone paliwo dostaje się do obwodu wysokiego ciśnienia. Tłok pompy nadal dostarcza paliwo, aż osiągnie GMP (skok wtrysku), po czym ciśnienie spada i zamyka się zawór wydechowy. Paliwo pozostające w komorze elementu pompującego rozszerza się i tłok pompy przesuwa się w dół. Gdy tylko ciśnienie w komorze elementu pompującego spadnie poniżej ciśnienia wytwarzanego przez pompę wspomagającą, zawór wlotowy otwiera się i proces się powtarza.

Ponieważ wydajność pompy przekracza zużycie paliwa przez silnik, nadmiar paliwa pod wysokim ciśnieniem jest zawracany do zbiornika paliwa przez zawór regulacji ciśnienia. Prowadzi to do niepotrzebnego podgrzewania paliwa i spadku ogólnej sprawności.

Akumulator wysokiego ciśnienia (rail)

Ciśnienie wytwarzane przez wysokociśnieniową pompę paliwową jest rozprowadzane przez akumulator i przewody paliwowe do wtryskiwacza. Jednocześnie, ze względu na objętość paliwa w akumulatorze, zmniejszają się wahania ciśnienia paliwa powodowane przez wysokociśnieniową pompę paliwową i otwieranie wtryskiwaczy. Ściśliwość paliwa w wyniku wysokiego ciśnienia jest wykorzystywana do uzyskania efektu akumulatora. Ciśnienie paliwa jest mierzone za pomocą manometru i utrzymywane na żądanym poziomie za pomocą zaworu regulacji ciśnienia.

Przewody paliwowe wysokiego ciśnienia

Przewody paliwowe wysokiego ciśnienia są przeznaczone do przesyłania paliwa z akumulatora wysokiego ciśnienia do wtryskiwaczy i muszą wytrzymywać wahania ciśnienia o wysokiej częstotliwości, które występują podczas pracy silnika. Przewody paliwowe są wykonane ze stali i mają średnicę zewnętrzną 6 mm i średnicę wewnętrzną 2,4 mm. Wszystkie przewody paliwowe wysokiego ciśnienia muszą mieć taką samą długość. Różnica w odległości między akumulatorem a każdym wtryskiwaczem paliwa jest kompensowana przez zagięcie przewodów paliwowych.

Ciśnieniomierz

Czujnik ciśnienia przesyła do ECU sygnał odpowiadający rzeczywistemu ciśnieniu w akumulatorze ciśnieniowym.

Czujnik ciśnienia składa się z następujących elementów:

• zintegrowany element czujnika przyspawany do korpusu;
• płytka drukowana z obwodem elektrycznym;
• obudowa czujnika ze złączem elektrycznym.

Paliwo pod ciśnieniem przez otwór działa na membranę czujnika, na której osadzony jest element czujnika (urządzenie półprzewodnikowe) przekształcania ciśnienia w sygnał elektryczny. Poprzez styki złącza i obwód elektryczny, wygenerowany i wzmocniony sygnał jest przesyłany do ECU. Czujnik działa w następujący sposób: gdy zmienia się kształt diafragmy, zmienia się opór elektryczny warstw przyklejonych do diafragmy. Zmiana ciśnienia o 1500 bar powoduje zmianę kształtu membrany o 1 mm.

W zależności od zastosowanego ciśnienia napięcie wyjściowe czujnika waha się od 0 do 70 mV i po wzmocnieniu wynosi 0,5-4,5 V. Dokładny pomiar ciśnienia akumulatora jest niezbędny do prawidłowego działania układu wtrysku paliwa. W zakresie roboczym dokładność pomiaru musi mieścić się w granicach±2%. Jeśli czujnik ciśnienia ulegnie awarii, zawór regulacji ciśnienia przełącza się na «membrana» i układ wtryskowy, używając części zapasowej (miękki) funkcja, przyjmuje zadaną wartość ciśnienia.

Zawór ograniczający ciśnienie

Zawór nadciśnieniowy pełni tę samą funkcję, co zawór nadciśnieniowy. W przypadku wystąpienia nadciśnienia zawór otwierając się ogranicza ciśnienie w akumulatorze. Ciśnienie otwarcia zaworu ograniczającego ciśnienie wynosi 1500 barów.

Nadciśnieniowy zawór bezpieczeństwa jest urządzeniem mechanicznym, które zawiera następujące elementy:

• obudowa z gwintem zewnętrznym do wkręcania w akumulator ciśnieniowy;
• podłączenie przewodu powrotnego paliwa do zbiornika paliwa;
• ruchomy tłok;
• wiosna.

Dysze

Dysza: A - dysza zamknięta (nieruchomość); B - dysza otwarta (wtrysk paliwa)

Dysza zapewnia dostarczenie odpowiedniej ilości paliwa do komory spalania. W odpowiednim momencie ECU wysyła sygnał wzbudzenia do elektrozaworu wtryskiwacza, co oznacza rozpoczęcie podawania paliwa. O ilości wtryskiwanego paliwa decyduje czas otwarcia dyszy oraz ciśnienie w układzie. Paliwo powracające z zaworu regulacji ciśnienia i stopnia niskiego ciśnienia jest podawane do kolektora wraz z paliwem, które smarowało wysokociśnieniową pompę paliwową.

Dysza składa się z następujących jednostek:

• rozpylacz;
• system hydrauliczny;
• elektrozawór.

Paliwo z króćca gwintowego wysokiego ciśnienia podawane jest kanałem do rozpylacza oraz otworem zasilającym do komory sterowania zaworami. Komora sterowania zaworami jest podłączona do przewodu powrotnego paliwa przez otwór przeciekowy połączony z elektrozaworem. Podczas zamykania otworu przeciekowego siła hydrauliczna wywierana na trzpień sterujący zaworu przekracza siłę nacisku na stożkowy koniec igły rozpylającej. W efekcie iglica rozpylacza opada i hermetycznie odcina dopływ paliwa pod wysokim ciśnieniem do komory spalania.

Otwarcie elektrozaworu wtryskiwacza otwiera otwór przeciekowy, powodując spadek ciśnienia w części sterującej zaworem, co również zmniejsza ciśnienie hydrauliczne na tłoku. Gdy tylko siła hydrauliczna stanie się mniejsza niż siła nacisku na stożkowy koniec igły rozpylacza, iglica rozpylacza otwiera się i paliwo jest wtryskiwane do komory spalania. To pośrednie sterowanie iglicą rozpylacza za pomocą układu hydraulicznego zwiększania siły jest stosowane, ponieważ siły potrzebne do szybkiego otwarcia iglicy nie mogą być generowane bezpośrednio przez elektrozawór. Tak zwana ilość paliwa pilotowego potrzebna do otwarcia iglicy rozpylacza jest dostarczana oprócz ilości paliwa, które faktycznie trzeba wtrysnąć do cylindra i jest podawana do przewodu powrotnego paliwa przez otwór wyciekowy podłączony do elektrozaworu zawór.

Oprócz ilości paliwa do sterowania występuje również ubytek paliwa w prowadnicach popychacza zaworów i iglicy rozpylacza.

Działanie wtryskiwacza podczas pracy silnika i doładowania przez wysokociśnieniową pompę paliwową dzieli się na cztery etapy:

• dysza zamknięta (z zastosowaniem wysokiego ciśnienia);
• dysza otwiera się (uruchomienie wtrysku paliwa);
• dysza jest całkowicie otwarta;
• zamknięcie dyszy (koniec wtrysku paliwa).

Gdy silnik jest wyłączony i nie ma ciśnienia w akumulatorze ciśnieniowym, sprężyna rozpylacza zamyka dyszę.

Dysza zamknięta

Podczas postoju zawór elektromagnetyczny wtryskiwacza nie jest zasilany i dlatego jest zamknięty. Otwór wycieku jest zamknięty, a sprężyna zaworu dociska kulkę do gniazda otworu wycieku. Wysokie ciśnienie z akumulatora ciśnieniowego wzrasta w komorze sterującej zaworem i jednocześnie występuje w objętości komory igłowej rozpylacza. Nacisk z akumulatora ciśnieniowego przyłożony na czołową powierzchnię tłoka sterującego wraz z siłą sprężyny igły rozpylacza utrzymuje igłę w pozycji zamkniętej wbrew siłom otwierania wywieranym w fazie docisku.

Dysza otwiera się

Dysza jest nieruchoma. Zawór elektromagnetyczny jest zasilany prądem, który umożliwia szybkie otwarcie zaworu. Natychmiast duży prąd dostarczany do elektromagnesu jest redukowany do prądu wystarczającego do utrzymania elektrozaworu w pozycji otwartej. Po otwarciu otworu wycieku paliwo wypływa ze skrzynki sterującej zaworami do wnęki nad zaworem, a stamtąd przewodem powrotnym do zbiornika paliwa.

Siła generowana przez elektromagnes przewyższa siłę sprężyny i otwiera się otwór przeciekowy, powodując spadek ciśnienia w komorze sterującej zaworem, co również zmniejsza ciśnienie hydrauliczne na tłoku. Gdy tylko siła hydrauliczna stanie się mniejsza niż siła nacisku na stożkowy koniec igły rozpylacza, iglica rozpylacza otwiera się i paliwo jest wtryskiwane do komory spalania.

Szybkość otwierania igły rozpylacza jest określona przez różnicę prędkości przepływu przez otwór przeciekowy i otwór zasilający. Trzpień sterujący osiąga górne położenie, w którym występuje poduszka paliwa utworzona w wyniku przepływu paliwa między kanałami wycieku paliwa a portami podawania. W tej pozycji dysza wtryskiwacza jest całkowicie otwarta i paliwo jest wtryskiwane do komory spalania pod ciśnieniem równym ciśnieniu w akumulatorze ciśnieniowym.

Zamknięcie dyszy

Po odłączeniu zasilania elektrozaworu sprężyna zaworu przesuwa zworę w dół, a kula zamyka otwór przeciekowy. Kotwica składa się z dwóch części. Jednakże, chociaż płyta twornika jest kontrolowana przez ramię podczas ruchu w dół, może «odskoczyć» ze sprężyną powrotną, tak aby na zworę i kulę nie działały żadne siły skierowane w dół.

Podczas zamykania otworu przeciekowego siła hydrauliczna wywierana na trzpień sterujący zaworu przekracza siłę nacisku na stożkowy koniec igły rozpylającej. W efekcie iglica rozpylacza opada i hermetycznie odcina dopływ paliwa pod wysokim ciśnieniem do komory spalania. Prędkość igły rozpylacza zależy od przepływu przez port zasilający.